摘? 要: 介紹一種在應用可編程單片機系統設計方案。該方案設計簡單，技術成熟，適合于基于8051核的CISC結構的單片機系統。詳細介紹了該方案的實現方法與引導程序及上位機軟件的設計。
關鍵詞: 串行通訊? 在應用可編程(IAP)? MCU
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電子產品的更新換代越來越快，怎樣縮短設計時間，快速推出產品，降低設計成本和提高系統整體性能是每個設計人員共同關心的問題。一種叫做在應用可編程(In Application Programming-IAP)的設計方案應運而生，它可以在現場(當原存在的代碼正在運行時)重新寫入運行代碼。這種方案的優點是可以降低開發代碼的時間、可在裝配線上測試和改裝產品、可在現場修正代碼錯誤、可以容易地添加產品新功能甚至可以遠程進行系統的升級。目前，實現在應用可編程一般有兩種方法:一種方法是使用與單片機配套的專用芯片;另一種是采用新型的支持在應用可編程的單片機。本文介紹一種基于AT89C51單片機的在應用可編程的設計方案，它只占用AT89C51的UART，只需少數的幾塊芯片就能實現上述功能。特別適用于需要用UART進行通訊的測控網絡的設計。
1 設計思路
基于8051核的單片機提供兩個獨立的地址空間，一個用于程序存儲器，一個用于數據存儲器。這種特殊的地址結構在任何情況下都不會將數據寫入程序空間，保護程序代碼不會被數據覆蓋，但這種特性使單片機在應用可編程不能實現。如果采用一種方法“欺騙”系統使之誤認為程序存儲器即為數據存儲器，則可向程序存儲器中寫數據了。“欺騙”系統的方法是在IAP期間暫時將程序存儲器“重新分類”為數據空間而不是程序空間，然后在IAP完成后再將它重新分類為程序空間。這種方案需要一款存儲器既可以當作數據存儲器又能作為程序存儲器。現在市面上的多種具有掉電保護功能的靜態隨機存儲器既具有數據存儲器的高讀寫速度又具有程序存儲器的非揮發性。如DALLAS公司的DS1230Y-70是與通用RAM27256管腳兼容的，內嵌鋰電池保護的非易失性存儲器，讀寫速度為70ns，掉電狀態下可以保存數據10年。
按照上述思路設計的具有在應用可編程能力的單片機系統結構框圖如圖1所示。該系統有以下幾個特點:(1)有三塊RAM，其中RAM3是數據存儲器，RAMA、RAMB既是數據存儲器又是程序存儲器，RAMA和RAMB采用DS1230Y-70靜態RAM。RAMA和RAMB具有相同的地址，當其中一塊作為程序存儲器時，另一塊是數據存儲器。AT89C51的數據空間與地址空間分開的特性保證了這兩塊存儲器不會沖突。(2)增加了選擇電路，用來將程序存儲器和數據存儲器“重新分類”，通過DN_CON控制信號線來選擇是將WR信號還是將PSEN信號送入相應的靜態RAM。(3)增加了串行EEPROM以保存重要的信息，如模塊號及下載標志等。
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AT89C51具有4K的片內Flash 存儲器，可以存放引導程序。系統初始化、串口中斷等程序作為引導程序，固化在AT89C51的Flash 存儲器中，而將主程序放在32KB的靜態RAM程序存儲器中。因此，該系統程序存儲器的地址空間從0000h～03FFh和8000H～0FFFFH。而數據存儲器地址從0000H～0FFFFH，如圖2所示。引導程序中將串口中斷設定為最高優先級，當AT89C51接收到程序代碼下載的命令后，將向8000H～0FFFH的數據空間依次寫入程序代碼。當程序代碼寫結束時，改變DN_CON控制信號，使原來的數據存儲器變為程序存儲器，而原來的程序存儲器變為數據存儲器。在串口中斷程序結束時，將堆棧中的串行中斷返回指針指向8000H，并退出中斷，使程序跳至8000H運行下載的程序代碼。圖2中串行EEPROM采用基于I2C總線的24C01芯片，用以存放一些關鍵的數據信息，如測控模塊的站號、下載標志等。
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2 選擇電路的實現
3 引導程序的設計
引導程序的設計，關鍵要解決以下問題:(1)系統上電時，要能自動設別該系統的主程序代碼是否下載及下載在哪個靜態RAM中，并能自動正確執行。(2)要保證其它的中斷能正確響應，包括除程序下載命令外的其它串行中斷。(3)在程序下載串行中斷響應后，要能正確退出中斷，并跳到主程序的正確位置執行代碼。
在8000H開始的主程序區的頂端設立中斷映射區如圖2所示，在原來的000BH、0013H等中斷入口地址處設立相應的長調用語句Ljmp 800BH，Ljmp 8013H，將除串行中斷以外的所有中斷跳至從8000H開始的中斷映射區。而在800BH和8013H等地方放置真正的中斷程序入口地址。程序下載命令之外的其它串行中斷由串行中斷程序判別并跳至8023H，串行中斷程序流程圖4所示。
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引導程序的主流程圖如圖5所示。引導主程序中包含系統初始化、串口設置及讀下載標志等程序。在引導程序的中斷程序中(如圖4)包括程序下載命令的解釋程序和代碼的下載操作。為了編程方便，下載的程序代碼都是ASCII碼，這樣可以方便地定義一些控制字符。下載的簡單協議為“AAH(下載命令)+程序代碼(以ASCII 碼形式)+1BH(文件結束符)+異或校驗和”。當中斷程序接收到二進制數AAH時，即認為接收到程序下載的命令，并在中斷程序中以查詢的方式接收數據，依次將接收的代碼轉化為二進制數后放入以8000H為首地址的數據空間，同時產生接收數據的校驗和。而當接收到1BH結束符時，則認為所下載的程序代碼已結束，并準備接收校驗和。當程序代碼接收正確，在中斷程序中依據所讀出的下載標志設置新的下載標志，然后改變堆棧指針，使串行中斷退出，并使PC指針指向8000H，開始運行下載的程序。中斷退出代碼如圖4所示。當串行中斷接收的命令不是程序下載命令，則在中斷程序直接跳至中斷映射區的串行中斷入口8023H，執行相應的串行中斷程序。
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4 上位機軟件的編程
上位機軟件可以采用Delphi開發工具編寫基于Windows95/98/2000平臺下的串行通訊程序。MSCOMM32.OCX控件是微軟公司在VB和VC開發軟件中隨帶的串行通信控件，該控件屏蔽了通信過程中的底層操作，程序員應用時只需設置和監視該控件的屬性和事件即可完成對串行口的初始化和數據的輸入和輸出工作。在Delphi5.0中已將它重新定義為TMSComm類。在應用可編程測控網絡的設計中需要發送與接收控制字符，這些控制字符有可能包含ASCII值大于80H的字符，因此要求上位機軟件既能接收二進制數據又能發送二進制數據。在TMSComm類中有一項InputMode屬性，當設置InputMode=1時，數據是以二進制方式取回，而發送二進制數據則需要依照TMSComm類的規則通過動態數組和變體的方法實現。
下面是一個簡單的發送和接收二進制數據的例子程序:
串口設置
mscomm1.Comport:=1；?????????? ?????? //操作對象為串口1
mscomm1.Settings:=’9600，N，8，1’； //設置串口參數
mscomm1.Rthreshold:=1；?????? ???? ???//收到1個字節后觸發串口事件
mscomm1.inbuffercount:=0；?????????? ?//清串口接收緩沖區
mscomm1.OutBufferCount:=0；?????????? //清串口發送緩沖區
mscomm1.PortOpen:=true；??????????????//打開串口
發送例程:
var
MyFlexibleArray : array of byte；? //定義動態數組
????outputdata: variant；????????????? //定義變體
begin
SetLength(MyFlexibleArray，1)；????//在使用動態數組前必須設置它的長度。
MyFlexibleArray[0]:=＄AA；????????? //將待發送二進制數放入數組
outputdata := myFlexibleArray；????//將動態數組賦給變體
mscomm1.Output:=outputdata；???????//將變體中的二進制數0AAH發出
end；
在串口事件中接收數據例程
mscomm1.Inputlen:=1；????????????????? //每次從接收緩沖區中讀1個字節數據
mscomm1.InputMode:=1；??????????????? ?//以二進制方式接收數據
inbuf:=mscomm1.input；???????????? ??? //讀緩沖區，將數據接收至inbuf變量
本文所述的在應用可編程測控網絡的設計已在FWC-2型大壩自動監測系統中實際使用。該系統基于RS-485網絡，可以管理255個測量模塊的數據采集和程序下載。運行結果表明，該方案具有設計簡單、技術成熟、開發迅速等優點。
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參考文獻
1 FlashFlex51 MCU SST89F54/SST89F58 User Manual.Silicon Storage Technology.Inc 1999.9
2 Marco Cantu(美).Delphi3從入門到精通.北京:電子工業出版社，1998.4